Forscher sagen, dass dieses Polymer den menschlichen Muskel nachahmen kann

Feb 01, 2024

17. Juli 2023 Von Sean Whooley

Eine Illustration der Aktivierung ferroelektrischer Polymere durch Joulesche Erwärmung [Bild mit freundlicher Genehmigung von Qing Wang/Pennsylvania State University]

Ein solches Polymer könnte Potenzial für Anwendungen in medizinischen Geräten, fortschrittlicher Robotik und Präzisionspositionierungssystemen bieten. Das Team sagt, dass mechanische Spannung eine wichtige Eigenschaft für einen Aktuator darstellt. Traditionell waren diese Aktormaterialien starr, aber weiche Materialien wie die ferroelektrischen Polymere bieten mehr Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an die Umwelt.

Laut einem Beitrag auf der PSU-Website zeigte die Forschung das Potenzial dieser Polymere auf, die Einschränkungen herkömmlicher piezoelektrischer Polymerverbundwerkstoffe zu überwinden. Dies könnte weiche Aktuatoren mit verbesserter Dehnungsleistung und mechanischer Energiedichte ermöglichen.

„Möglicherweise können wir jetzt eine Art weiche Robotik haben, die wir als künstliche Muskeln bezeichnen“, sagte Qing Wang, Professor für Materialwissenschaft und -technik an der Penn State University und Mitautor der kürzlich in Nature Materials veröffentlichten Studie. „Dies würde es uns ermöglichen, über weiche Materie zu verfügen, die neben einer großen Belastung auch eine hohe Belastung tragen kann. Dieses Material wäre dann eher eine Nachahmung des menschlichen Muskels, etwas, das dem menschlichen Muskel nahe kommt.“

Die Forscher sagen, dass die in dieser Forschung verwendeten Materialien eine spontane elektrische Polarisation mit einer externen elektrischen Ladung aufweisen. Positive und negative Ladungen in den Materialien weisen unterschiedliche Pole auf. Die Spannung in diesen Materialien während dieses Phasenübergangs kann Eigenschaften wie die Form vollständig verändern. Dies macht die Polymere als Aktoren nützlich.

Eine häufige Verwendung findet sich in Tintenstrahldruckern. Elektrische Ladung nimmt die Form des Aktuators an, um die Düsen zu steuern, die Tinte auf das Papier auftragen.

Die Forscher sagen, dass das Polymer eine enorme durch ein elektrisches Feld induzierte Spannung aufweist, die für die Betätigung erforderlich ist. In Kombination mit hoher Flexibilität, geringem Gewicht und reduzierten Kosten bieten sie eine vielversprechende Option in der Soft-Robotik.

„In dieser Studie haben wir Lösungen für zwei große Herausforderungen im Bereich der Betätigung weicher Materialien vorgeschlagen“, sagte Wang. „Eine davon besteht darin, die Kraft weicher Materialien zu verbessern. Wir wissen, dass weiche Betätigungsmaterialien, also Polymere, die größte Belastung aufweisen, aber im Vergleich zu piezoelektrischen Keramiken viel weniger Kraft erzeugen.“

Das Team glaubte, dass die Lösung zur Verbesserung der Leistung des ferroelektrischen Polymers in Form eines Nanokomposits liege. Durch den Einbau von Nanopartikeln in eine Art Polymer – Polyvinylidenfluorid – schufen die Forscher ein miteinander verbundenes Netzwerk von Polen innerhalb des Polymers. Dieses Netzwerk ermöglichte eine Induktion des ferroelektrischen Phasenübergangs bei viel geringeren elektrischen Feldern im Vergleich zu normalen Anforderungen.

Mithilfe einer elektrothermischen Methode mit Joule-Heizung induzierte das Team den Phasenübergang im Nanokomposit-Polymer. Es erforderte nur weniger als 10 % der Stärke eines elektrischen Feldes, das normalerweise für den ferroelektrischen Phasenwechsel erforderlich ist.

„Typischerweise korrelieren diese Spannung und Kraft in ferroelektrischen Materialien in einem umgekehrten Verhältnis zueinander“, sagte Wang. „Jetzt können wir sie in einem Material integrieren und haben einen neuen Ansatz entwickelt, um es mithilfe der Joule-Heizung anzutreiben. Da das Antriebsfeld viel geringer sein wird, weniger als 10 %, kann dieses neue Material für viele Anwendungen verwendet werden, die ein niedriges Antriebsfeld erfordern, um wirksam zu sein, wie etwa medizinische Geräte, optische Geräte und Soft-Robotik.“